Optimization for big joins and recursive query evaluation using intersection and difference filters in MapReduce

par Thuong-Cang Phan

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Philippe Rigaux et de Laurent D'Orazio.

Le président du jury était Mohand Saïd Hacid.

Le jury était composé de Dominique Laurent, Genoveva Vargas-Solar, Farouk Toumani.

Les rapporteurs étaient Dominique Laurent, Genoveva Vargas-Solar.

  • Titre traduit

    Utilisation de filtres d’intersection et de différence pour l’optimisation des jointures à grande échelle et l’exécution de requêtes récursives à l’aide MapReduce


  • Résumé

    La communauté informatique a créé une quantité de données sans précédent grâce aux applications à grande échelle. Ces données massives sont considérées comme une mine d’or, ces informations n’attendant que la puissance de traitement sûre et appropriée à l’évaluation d’algorithmes d’analyse complexe. MapReduce est un des modèles de programmation les plus réputé, connu pour la gestion de ce type de traitement. Il est devenu un standard pour le traitement, l’analyse et la génération de grandes quantités de données en parallèle. Cependant, le modèle de programmation MapReduce souffre d’importantes limites pour des opérations non simples (scans ou regroupements simples), en particulier les traitements avec entrées multiples. Dans ce mémoire, nous étudions et optimisons l’évaluation, dans un environnement MapReduce, d’une des opérations les plus importantes et représentatives : la jointure. Notre travail aborde, en plus de la jointure binaire, des jointures complexes comme la jointure multidimensionnelle et la jointure récursive. Pour atteindre ces objectifs, nous proposons d’abord un nouveau type de filtre appelé filter d’intersection qui utilise un modèle probabiliste pour représenter une approximation de l’intersection des ensembles. Le filtre d’intersection est ensuite appliqué à l’opération de jointure bidirectionnelle pour éliminer la majorité des éléments non-joints dans des ensembles de données d'entrée, avant d’envoyer les données pour le processus de jointure. De plus, nous proposons une extension du filtre d’intersection pour améliorer l’efficacité de la jointure ternaire et de la jointure en cascade correspondant à un cycle de jointure avec plusieurs clés partagées lors de la jointure. Nous utilisons la méthode des multiplicateurs de Lagrange afin de réaliser un choix pertinent entre les différentes solutions proposées pour les jointures multidimensionnelles. Une autre proposition est le filtre de différence, une structure de données probabiliste formée pour représenter un ensemble et examiner des éléments disjoints. Ce filtre peut être appliqué à un grand nombre de problèmes, tels que la réconciliation, la déduplication, la correction d’erreur et en ce qui nous concerne la jointure récursive. Une jointure récursive utilisant un filtre de différence est effectuée comme une répétition de jointures en lieu et place d’une jointure et d’un processus de différenciation. Cette amélioration réduit de moitié le nombre de tâches effectuées et les associés tels que la lecture des données, la génération des données intermédiaires et les communications. Ceci permet notamment une amélioration de l’évaluation de l’algorithme semi-naïf et par conséquent l’évaluation des requêtes récursives en MapReduce. Ensuite, nous fournissons des modèles de coût généraux pour les jointures binaire, à n-aire et récursive. Grâce à ces modèles, nous pouvons comparer les algorithmes de jointure les plus représentatifs. Ainsi, nous pouvons montrer l’intérêt des filtres proposés, grâce notamment à la réduction des coûts E/S (entrée/ sortie) sur disque et sur réseau. De plus, des expérimentations ont été menées, montrant l’efficacité du filtre d’intersection par rapport aux solutions, en comparant en particulier des critères tels que la quantité de données intermédiaires, la quantité de données produites en sortie, le temps d’exécution et la répartition des tâches. Nos propositions pour les opérations de jointure contribuent à l’optimisation en général de la gestion de données à l’aide du paradigme MapReduce sur des infrastructures distribuées à grande échelle.


  • Résumé

    The information technology community has created unprecedented amount of data through large-scale applications. As a result, the Big Data is considered as gold mines of information that just wait for the processing power to be available, reliable, and apt at evaluating complex analytic algorithms. MapReduce is one of the most popular programming models designed to support such processing. It has become a standard for processing, analyzing and generating large data in a massively parallel manner. However, the MapReduce programming model suffers from severe limitations of operations beyond simple scan/grouping, particularly operations with multiple inputs. In the present dissertation we efficiently investigate and optimize the evaluation, in a MapReduce environment, of one of the most salient and representative such operations: Join. It focuses not only on two-way joins, but also complex joins such as multi-way joins and recursive joins. To achieve these objectives, we first devise a new type of filter called intersection filter using a probabilistic model to represent an approximation of the set intersection. The intersection filter is then applied to two-way join operations to eliminate most non-joining elements in input datasets before sending data to actual join processing. In addition, we make an extension of the intersection filter to improve the performance of three-way joins and chain joins including both cyclic chain joins with many shared join keys. We use the Lagrangian multiplier method to indicate a good choice between our optimized solutions for the multi-way joins. Another important proposal is a difference filter, which is a probabilistic data structure designed to represent a set and examine disjoint elements of the set. It can be applied to a wide range of popular problems such as reconciliation, deduplication, error-correction, especially a recursive join operation. A recursive join using the difference filter is implemented as an iteration of one join job instead of two jobs including a join job and a difference job. This improvement will significantly reduce the number of executed jobs by half, and the related overheads such as data rescanning, intermediate data, and communication for the deduplication and difference operations. Besides, this research also improves the general semi-naive algorithm, as well as the evaluation of recursive queries in MapReduce. We then provide general cost models for two-way joins, multi-way joins, and recursive joins. Thanks to these cost models, we can make comparisons of the join algorithms more persuasive. As a result, with using the proposed filters, the join operations can minimize disk I/O and communication costs. Moreover, the intersection filter-based join operations are demonstrated to be more efficient than existing solutions through experimental evaluations. Experimental comparisons of different algorithms for joins are examined with respect to intermediate data amount, the total output amount, the total execution time, and especially task timelines. Finally, our improvements on the join operations contribute to the global scene of optimizing data management for MapReduce applications on large-scale distributed infrastructures.


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